史瑤，曹建國，贠國俊，王景剛

1 康復機器人概述

康復機器人從屬于醫(yī)療機器人，涵蓋了康復醫(yī)學、生物力學、計算機科學等多個領域，近些年成為研究熱點[1]。起初康復機器人在醫(yī)療實踐上是用于恢復患者肢體運動功能[2]，最早應用于治療是持續(xù)被動機(Continuous Passive Motion，CPM)，CPM機是一種利用康復醫(yī)學中連續(xù)被動運動基本原理對受傷肢體進行康復治療[3]，隨著科學技術發(fā)展及研究的深入，神經(jīng)運動康復治療機器人成為研究及應用熱點，基于神經(jīng)系統(tǒng)可塑性，人們試圖研發(fā)機器人像臨床醫(yī)生一樣來輔助有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者改善其受損肢體功能，激發(fā)患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)重組和代償，進而改善患者功能障礙，通過成人腦卒中、脊髓損傷等康復機器人的研發(fā)，人們開始將注意力轉(zhuǎn)到研發(fā)腦癱兒童康復輔助機器人上，試圖通過機器人輔助訓練，促進腦癱兒童康復。

2 兒童腦癱康復治療概述

腦性癱瘓(cerebral palsy，CP)簡稱腦癱[4]，是指一組持續(xù)存在的中樞性運動和姿勢發(fā)育障礙、活動受限癥候群，是由胎兒時期或嬰幼兒時期腦部非進行性腦損傷所致。腦癱常伴有感覺、知覺、認知、交流和行為障礙，以及癲癇和繼發(fā)性肌肉、骨骼問題。兒童腦癱康復治療主要有物理治療(physical therapy，PT)包括運動療法和物理因子療法，作業(yè)治療(occupational，OT)，言語治療(speech therapy，ST)，藥物治療，傳統(tǒng)醫(yī)學康復療法，手術治療。運動療法包括神經(jīng)發(fā)育療法[5]，神經(jīng)易化技術，強制性誘導療法，引導式教育等；物理因子療法包括功能性電刺激療法[6]，生物反饋、蠟療、水療等；作業(yè)治療是從患兒日常生活、學習、認知等活動中選擇一些作業(yè)，對患兒進行訓練，改善患兒功能；言語治療主要包括構音障礙訓練，吞咽功能障礙訓練和語言發(fā)育遲緩訓練；目前藥物治療屬于腦癱的輔助治療，主要包括抗癲癇藥物、降低肌張力藥物、抑制不自主運動藥物、神經(jīng)肌肉阻滯劑等，其中A型肉毒毒素(botulinum toxin A，BTX-A)應用較為廣泛[7]；傳統(tǒng)醫(yī)學康復包括針灸[8]、推拿等治療；手術治療作為腦癱康復治療的一種輔助療法，目的是矯正畸形和攣縮，改善肢體運動功能，主要包括選擇性脊神經(jīng)后跟切斷術，矯形手術。近年來許多新技術應用到兒童腦癱的康復治療中，互聯(lián)網(wǎng)技術用來改善腦癱患兒社交功能[9]，腦機接口(brain-computer interface，BCI)技術利用腦電圖來監(jiān)測腦電活動[10]，讓患兒控制外接設備進行交流、移動、康復訓練等活動，重復經(jīng)顱磁刺激也廣泛應用于改善腦癱患兒運動及言語功能[11]，肌電反饋體感游戲是基于已研究成熟的肌電生物反饋技術，結合體感游戲，提高患兒參與康復訓練的配合度[12]。

隨著科學技術的發(fā)展，機器人技術應用于腦癱患兒康復治療中，從起初的運動類康復機器人到現(xiàn)在的遠程康復機器人系統(tǒng)，多種類的康復機器人應用于治療，將成為兒童腦癱康復治療的重要手段之一[13]。

3 康復機器人分類及應用現(xiàn)狀

兒童腦癱康復治療機器人可從不同角度進行分類，下面就目前康復機器人在腦癱患兒中的應用進行分類介紹。

3.1 運動類康復機器人 腦癱是兒童殘疾的主要原因之一，主要影響患兒運動功能，包括上肢運動功能，下肢運動功能，步態(tài)等方面，運動類康復機器人是依據(jù)運動學及動力學為基礎研發(fā)的一類康復機器人，通過主動及被動訓練來改善患兒運動功能。

3.1.1 上肢康復機器人 上肢康復機器人[14]是利用機器人力學設計帶動腦癱患兒，對其肩、肘、腕等關節(jié)進行全方位運動訓練。Holley等[15]開發(fā)的上肢功能康復機器人治療系統(tǒng)，研究選取年齡在7～14歲之間腦癱患兒，通過機器人手臂和手腕組成機械臂對患兒上肢提供主動訓練，研究表明其可改善患兒上肢運動功能及其協(xié)調(diào)能力，但其適用年齡范圍具有局限性。Yagna Pathak等[16]以日常生活活動能力所需的運動學和動力學為基礎，對6～15歲的腦癱患兒及正常兒童上肢運動范圍進行對比，開發(fā)出一種康復治療機器人，為腦癱患兒在日常生活活動中提供幫助，同時能改善腦癱患兒上肢運動功能。Edward等[17]研發(fā)的便攜式上肢康復機器人，可產(chǎn)生足夠的末端效應力進行功能性抗阻訓練，來幫助上肢肌肉力量不足的腦癱患兒恢復上肢功能。丁偉利等[18]研發(fā)的基于Kinect為交互設備的上肢康復訓練系統(tǒng)，針對患者不同的康復需求，系統(tǒng)建立了通用動作庫和游戲庫，來達到主動鍛煉患者上肢功能的目的。

3.1.2 下肢康復機器人 下肢康復機器人可分為站立式和坐臥式兩種，作用是輔助支撐患兒身體，幫助患兒形成自然步態(tài)，同時進行功能訓練，其還包含了踝關節(jié)康復機器人這一類機器人，隨著機器人技術的發(fā)展，混合動力的三自由度踝關節(jié)康復機器人逐步應用到康復治療中，為腦癱患兒踝關節(jié)康復提供了一種新的訓練方法[19]。

金星等[20]應用德國Lo-Kohelp集團研制的下肢康復機器人Lo-koHelp系統(tǒng)，通過對患兒評估情況來調(diào)節(jié)其步行速度和坡度，配合其完成步行動作，研究入組4～6歲的腦癱患兒，坐位平衡≥1級，給予每天20min，1周6次，訓練8周的訓練強度，研究表明其對患兒下肢運動功能有改善作用。杜佳音等[21]自制的腦癱兒童下肢康復器是一種包含主動模式和被動模式訓練下肢肌力的康復機器人，可輔助痙攣型腦癱患兒進行下肢肌力訓練，也可進行助力訓練和抗阻訓練，研究選取28例年齡在5～12歲，腦癱粗大運動功能分級(Gross Motor Function Classification System，GMFCS)為I～III級，排除孤獨癥或合并癲癇的腦癱患兒，行每天20 min，3個月為1個療程的訓練強度，研究表明其在改善腦癱患兒粗大運動功能方面有良好效果。盧振利等[22]設計了以Kinect為基礎的人機交互設備的腦癱康復訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點在于設計了運動捕捉、運動數(shù)據(jù)記錄、分析和評價功能，可了解患者目前及訓練后的功能狀態(tài)，為醫(yī)生和治療師提供有意義的數(shù)據(jù)，但該系統(tǒng)是針對年齡偏大(5歲以上)的腦癱兒童設計，具有年齡適用的局限性。周志浩等[23]研發(fā)的踝關節(jié)康復機器人系統(tǒng)(robotic ankle-foot rehabilitation system，RARS-II)，研究選取平均年齡為7歲的腦癱患兒6例，行每組訓練10個周期，每個周期10s的訓練強度，研究表明該系統(tǒng)可改善腦癱患兒跖屈肌群攣縮及軟組織順應性，該系統(tǒng)的特點是采用了可編程的嵌入式系統(tǒng)，使控制指令和實時數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡與計算機軟件進行通訊，此設計可使治療師和受試者實時看到運動關節(jié)位置，力矩參數(shù)、訓練任務參數(shù)，以便調(diào)整訓練模式。

3.1.3 步態(tài)康復機器人 腦癱最常見的癥狀是肌肉痙攣，肌肉痙攣可導致關節(jié)攣縮，四肢控制不良，造成患兒許多日常生活活動完成困難，其中最主要的是步行[24]，無效的步態(tài)模式會導致患兒走路緩慢，易疲勞，并限制他們?nèi)粘Ｉ罨顒幽芰?，研究表明[25]，步態(tài)康復機器人作為一種有效的步態(tài)康復裝置，為腦癱患兒步態(tài)訓練提供了一種新方法。

Meltem等[26]設計了一種機器人步態(tài)訓練裝置，該裝置旨在改善腦癱患兒步態(tài)模式，是基于軌跡、力和阻抗控制范式開發(fā)的，末端控制器用來測量人體與機器人的交互作用數(shù)據(jù)，研究選取24例痙攣型偏癱，GMFCS分級為II級的患兒，予以每周3次，共12周的訓練強度，研究表明其對患兒步行速度、耐力及平衡穩(wěn)定性有明顯改善[27]。Mataki等[28]使用混合性輔助肢體機器人(Hybrid Assisstive Limb，HAL)對腦癱患兒進行輔助步態(tài)訓練，研究選取12例平均年齡為16歲的腦癱患兒，行每次20min訓練，研究表明，訓練后患兒步態(tài)中單腿支撐相時間增加、伸髖角度增大、屈膝角度減小，改善了患兒的步態(tài)功能。Cristina Bayón等[29]研發(fā)的CPWalker(Cerebral Palsy Walker，CPWalker)，是一種步態(tài)康復機器人訓練平臺，該系統(tǒng)由外骨骼牽引器和智能步態(tài)控制終端兩部分組成，外骨骼牽引器對患者提供支撐，智能步態(tài)控制終端可提供五種步態(tài)模式，通過設定體重，步態(tài)速度，運動范圍三種參數(shù)制定個體化訓練方案，其還包括姿勢控制策略，在患者進行不良步態(tài)姿勢時進行聲音反饋。

3.2 語言類康復機器人 腦癱并發(fā)語言障礙的患兒需通過語言康復及多種訓練方式來改善患兒的語言功能障礙，語言類康復機器人試圖通過數(shù)字化康復機器人設備，對患兒語音進行分析并針對個體進行個體化康復治療，可提供多種康復訓練模式，有助于進一步提高康復療效。

盧振利等[30]研發(fā)的機器人輔助腦癱康復語義訓練系統(tǒng)由語音識別模塊，主機程序組成，基于語音識別技術，通過收集患兒語音后進行語音的改正和校正，包括單字識別與訓練，語句識別與訓練，以改善患兒構音和發(fā)音功能，研究選取2例腦癱患兒，進行8次訓練，研究表明該系統(tǒng)對患兒語言康復具有一定作用，但在使用過程中因個體差異，出現(xiàn)語音識別正確率有差異的問題，還需進一步調(diào)試完善。沈玄霖等[31]研發(fā)的腦癱康復機器人語音識別系統(tǒng)，讓患兒對圖片進行命名，將采集的聲音信號通過語音識別技術錄入、識別、對比，從而判斷其正確率和反應時，研究選取了平均年齡為8歲(5～13歲)的腦癱患兒16例，進行該系統(tǒng)訓練，研究發(fā)現(xiàn)，隨著識圖次數(shù)增加，患兒用時逐漸減少，正確率提高，表明該系統(tǒng)對腦癱患兒治療具有有效性。

3.3 社會輔助類康復機器人 社會輔助機器人(socially assistive robotics SAR)作為社交互動機器人(social interaction，SIR)和輔助機器人(assistive robot，AR)的交匯點[32]，旨在通過社會輔助機器人與患者互動中產(chǎn)生參與激勵作用，促進患者康復目標實現(xiàn)。研究表明有患兒主動意圖參與的康復訓練[33]，對患兒神經(jīng)系統(tǒng)的重建和功能恢復更有效。

Kozyavkin等[34]使用一種類似人型的機器人，設計了9種機器人行為與聲音和音樂相結合的運動場景，通過遙控操作激活其中一個場景，對6例4～9歲的腦癱患兒在此場景下進行7次訓練，研究表明，其對患兒的運動治療有激勵作用。Rabiatul等[35]驗證了一種社會輔助機器人用于腦癱患兒的康復治療，選取2例腦癱患兒，行每周互動1次，為期8周的訓練，研究表明人機交互增強了患兒參與治療的注意力，有促進其運動功能改善的作用。Alberto等[36]使用NAO機器人作社會輔助機器人，參與到腦癱兒童的物理治療中，輔助一例8歲，GMFCS分級為III級的腦癱兒童訓練，通過與社會輔助機器人互動產(chǎn)生動機，促進患兒參與訓練的持久性及目標的實現(xiàn)，研究表明社會輔助機器人可提高腦癱兒童參與治療的積極性，但該研究屬于初步研究，還需擴大樣本量，進一步驗證。

3.4 新技術類康復機器人 隨著科學技術的發(fā)展及應用，越來越多的新技術融合到機器人的開發(fā)研究中來，虛擬現(xiàn)實技術及遠程技術的開發(fā)及應用，是康復機器人今后的發(fā)展趨勢，這一類機器人的研發(fā)使康復訓練更加精準化，多樣化，個體化。

3.4.1 虛擬現(xiàn)實結合機器人系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實技術具有交互性，沉浸性，想象性等特點，機器人輔助中使用虛擬現(xiàn)實技術的三個重要目標是：①生物反饋給病人；②通過增加視聽功能增強場景真實性；③增加病人動機。不同的虛擬場景可以描述各種虛擬任務，打破時間、空間限制，靈活性好，而且對患者所執(zhí)行任務的質(zhì)量給予及時反饋。虛擬增強了真實的環(huán)境，可促進患者積極參與所期望的活動，也在認知功能、肢體運動功能、平衡協(xié)調(diào)功能、日常生活能力等各方面發(fā)揮作用。另外，因患者可以在更現(xiàn)實的環(huán)境中訓練，使患者感到更有趣，從而激勵其訓練更長時間，或更多頻率，提高其訓練依從性[37]。

Qinyin等[38]對NJIT-RAVR系統(tǒng)應用于腦癱兒童進行了可行性研究，該系統(tǒng)將自適應機器人技術與復雜的VR仿真技術相結合，使患者與豐富的虛擬環(huán)境進行交互，研究選取2名痙攣型偏癱患兒，年齡分別為10歲、7歲，予以每周3d，每次1h，共3周的訓練，研究表明該系統(tǒng)可成功應用于腦癱患兒，同時發(fā)現(xiàn)該虛擬現(xiàn)實結合機器人系統(tǒng)可增加患兒訓練時的注意力，從而提供的更大的訓練刺激，康復療效明顯提高。

3.4.2 遠程康復機器人 遠程康復是應用計算機網(wǎng)絡技術、控制技術和測試技術，提供臨床醫(yī)生與病人之間視聽交互作用，患者可在家使用康復訓練系統(tǒng)訓練，由相應的傳感器等設備將患者的訓練數(shù)據(jù)上傳到康復中心，臨床醫(yī)生和治療師可對患者個人的訓練數(shù)據(jù)進行評估及設置更新訓練參數(shù)，患者將更新的訓練計劃下載到家庭康復機器人繼續(xù)進一步訓練，研究表明家庭遠程輔助康復機器人是治療兒童腦癱方便有效的方法[39]。

陳凱等[40]研發(fā)了一種通過醫(yī)生與患者進行遠程互動，定期評估和更新康復訓練的便攜式遠程康復機器人，研究選取23例平均年齡9歲，GMFCS分級為I～III級的腦癱患兒，在家庭環(huán)境下，對其踝關節(jié)進行了6周的輔助訓練，采用生物力學和臨床評估評價治療效果，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)遠程康復機器人干預后，患兒踝關節(jié)被動和主動運動范圍明顯增加，下肢平衡和控制能力增強。

4 發(fā)展趨勢

綜上所述，兒童腦癱的康復治療具有挑戰(zhàn)性，包括人員配備有限和住院時間有限，需要提供高效率的替代治療方法?？祻蜋C器人可使康復訓練具有一致性和持續(xù)性，實現(xiàn)治療方案、治療強度和康復評估的參數(shù)化。但我國現(xiàn)在實施的康復機器人項目都是常規(guī)的機器人輔助治療方法，另外現(xiàn)有的康復機器人適用的年齡范圍有局限性，大多不適用于低年齡段患兒，因此需要康復機器人擁有更多訓練模式和靈活的參數(shù)調(diào)節(jié)方式及可操作性。結合虛擬現(xiàn)實技術，人工智能技術研發(fā)康復機器人系統(tǒng)已成為未來的發(fā)展方向，虛擬現(xiàn)實是利用計算機硬件和軟件創(chuàng)建的交互模擬[41]，為用戶提供場景，使其能夠參與到虛擬世界，形成交互，在與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相互的反饋中達到身臨其境的效果；虛擬現(xiàn)實結合康復機器人訓練系統(tǒng)不僅能夠增加患者訓練的依從性和參與性，而且還有利于開發(fā)更多對患者量身定做的訓練[42]，以適應患者需求。人工智能技術可使機器人具有強大數(shù)據(jù)儲存及即時分析反饋作用，使反饋信息，中樞數(shù)據(jù)處理，輸出調(diào)整信息成為閉環(huán)控制系統(tǒng)，智能化設定個體化的精準康復治療模式，設計情景化人機交互模式，簡化醫(yī)生操作流程，為精準康復提供一種模式。

隨著各種先進的機器人控制技術、人機接口技術、遠程技術、人工智能技術等引入到康復領域[43], 遠程康復治療機器人成為可能，遠程康復機器人使患者能夠在家進行康復訓練[44]，通過遠程數(shù)據(jù)訪問，使患者能夠及時得到醫(yī)生的指導信息和訓練方案，使康復治療實現(xiàn)個體化、精確化、智能化，這也是今后康復機器人的發(fā)展方向和目標。